Géochimie du stockage géologique du CO2 outils d’études des risques de remobilisation des métaux lourds

HAL Id: ineris-01869425

https://hal-ineris.archives-ouvertes.fr/ineris-01869425

Submitted on 6 Sep 2018

HAL is a multi-disciplinary open access

archive for the deposit and dissemination of

sci-entific research documents, whether they are

pub-lished or not. The documents may come from

teaching and research institutions in France or

abroad, or from public or private research centers.

L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est

destinée au dépôt et à la diffusion de documents

scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,

émanant des établissements d’enseignement et de

recherche français ou étrangers, des laboratoires

publics ou privés.

Géochimie du stockage géologique du CO2 outils

d’études des risques de remobilisation des métaux lourds

Philippe Gombert, Jean Rillard

To cite this version:

Philippe Gombert, Jean Rillard. Géochimie du stockage géologique du CO2 outils d’études des risques

de remobilisation des métaux lourds. Rapport Scientifique INERIS, 2012, 2011-2012, pp.57-59.

�ineris-01869425�

INERIS_RAPPORT SCIENTIFIQUE 2011/2012 | 57

SITES ET TERRITOIRES/RISQUES DU SOL ET DU SOUS-SOL

Dans ce contexte, l’INERIS étudie les risques liés à cette technologie émergente [A] [B].

Géochimie du système CO

₂

-eau-roche

La dissolution du CO₂ dans l’eau engendre une acidification du milieu par production d’acide carbonique H₂CO₃ selon les réactions chimiques (a), (b) et (c).

CO₂ + H₂O = H₂CO₃ H₂CO₃ = HCO₃-

HCO₃- = H+ _{+ CO} 3

2-

L’acidification du milieu, qui résulte de la dissolution du CO₂, engendre la dissolution de certains minéraux, notamment les minéraux carbonatés comme la calcite selon la réaction (d).

CO₂ + H₂O + CaCO₃ = Ca2+ _{+ 2HCO} 3

-

Ce type de réaction – qui peut se produire avec d’autres miné-raux carbonatés comme la dolomite (Ca, Mg), la sidérite (FeCO₃ ) [C], la cérusite (Pb), etc. – est à l’origine de la libération de nombreux éléments chimiques dans la phase aqueuse du réservoir. Cette dissolution pourra également concerner d’autres minéraux contenant des métaux, par exemple des hydroxydes de fer, selon la réaction (e).

&E/( 3 + 3H

+ _{= Fe}3+ _{+ 3H} 2/

Les hydroxydes de fer et d’autres minéraux, comme les argiles et les minéraux sulfurés, peuvent contenir des métaux lourds potentiellement toxiques (As, Pb, Zn, Cu, U, etc.). Leur disso-lution pourra donc engendrer une libération de ces éléments dans l’eau du réservoir [D] [E].

En effet, des expériences antérieures ont montré que l’injec-tion de CO₂ en aquifère salin profond pouvait engendrer de fortes augmentations en métaux dissous tels que le fer (Fe) et le manganèse (Mn) dans la saumure profonde [F]. De plus, l’analyse des analogues naturels que sont les eaux profondes naturellement riches en CO₂ (sources hydrothermales) montre la présence de concentrations significatives en métaux [G] [H]. Cette mise en solution de métaux dans l’eau profonde peut engendrer un risque en cas de migration de cette eau en dehors du réservoir de stockage : il s’agit donc d’un risque potentiel à long terme pour la ressource en eau souterraine.

Philippe Gombert Jean Rillard

Contributeurs

L

e stockage géologique du CO₂ est l’une des solutions envisagées pour limiter l’accumulation de ce gaz à effet de serre dans l’atmosphère. La technique consiste à capter le CO₂ auprès des sources d’émis-sions concentrées (centrales thermiques, chaufferies, cimenteries, etc.), à le transporter, puis à l’injecter dans des roches réservoirs profondes où il devra rester isolé de la sur-face pendant plusieurs milliers d’années. Les sites de stoc-kage ciblés sont principalement des « aquifères salins profonds », qui sont des réservoirs d’eau profonde à forte salinité (ou « saumure »), non utilisable pour l’eau potable, ainsi que d’anciens réservoirs d’hydrocarbures épuisés ou encore des couches de charbon, du fait de leur grande capa-cité d’absorption du CO₂. Dans le cas des aquifères salins profonds, option étudiée ici, le stockage de CO₂ s’effectue à la fois par un piégeage mécanique au sein du réservoir étanche, mais également par interactions physico-chi-miques entre l’eau en place et la roche réservoir. Ces inte-ractions CO₂-eau-roche piègent du CO₂ par dissolution et par précipitation de nouveaux minéraux. Ces processus sont dépendants de nombreux paramètres intrinsèques du réservoir profond tels que la pression, la température, la porosité, la perméabilité, la composition minéralogique de la roche réservoir, la composition chimique de l’eau, etc.

'³/#()-)%

GÉOLOGIQUE DU CO

2

OUTILS D’ÉTUDES

DES RISQUES DE

REMOBILISATION DES

MÉTAUX LOURDS

Figure 1

Représentation schématique du protocole d’injection-repompage d’eau saturée en CO2 utilisé lors de l’expérience.

58 | INERIS_RAPPORT SCIENTIFIQUE 2011/2012

Photo 2

Mise en place de la colonne d’injection dans le forage.

Photo 1

Filtration et conditionnement in situ des échantillons sous azote.

➦ Dans ce contexte, l’étude du comportement des métaux dans les processus d’interactions CO₂-eau-roche apparaît pri-mordiale pour envisager le stockage géologique du CO₂ comme une solution viable à long terme [I] [J].

Protocole, matériel et méthode

Afin d’étudier le comportement des métaux intervenant dans ces processus d’interactions, une expérience d’injection d’eau saturée en CO₂ a été effectuée dans un aquifère contenu dans des terrains naturellement riches en métaux (Fe, Mn, Zn, As, Mo, Ba, U, etc.). L’expérience a consisté à injecter 3 m3 _d’eau

saturée en CO₂ dans un forage à 56 mètres de profondeur. La solution injectée a été laissée en contact avec le milieu pen-dant quatre-vingts heures, puis a été repompée penpen-dant soixante-douze heures figure 1 et photo 2 . Une analyse phy-sico-chimique précise des eaux avant et après injection a été effectuée afin d’analyser et de quantifier les perturbations engendrées par l’injection d’eau saturée en CO₂. À noter que la phase de repompage a été poursuivie jusqu’à ce que l’eau pompée soit revenue à sa composition chimique initiale, afin de récupérer l’intégralité de la perturbation générée par l’in-jection du mélange eau-CO₂. Un suivi en continu des para-mètres physico-chimiques (pH, température, redox, oxygène dissous) a été réalisé pendant les phases d’injections et de repompage. Des mesures du Fe2+ _{par spectrophotométrie et}

des dosages à l’acide de la capacité tampon des eaux (alcali-nité) ont également été effectués directement sur le terrain. Enfin, des échantillons ont été pris à intervalles réguliers pour des analyses ultérieures d’éléments traces suivant un proto-cole de filtration et d’acidification sous azote dans le but d’évi-ter toute mise en contact des échantillons avec l’atmosphère ou toutes autres pollutions externes photo 1 .

Ces échantillons ont ensuite fait l’objet de trois séries d’ana-lyses effectuées au laboratoire RESA (Ressources analytiques) de la Direction des risques chroniques de l’INERIS : par chromatographie ionique pour les cations et anions majeurs (Ca2+_{, Mg}2+_{, Na}+_{, K}+_{, Li}+_{, SO}

4 2-_{, NO}

3

-_{, Cl}-₎1 _{pour les}

mesures de Si, Fe, Mn et U et, enfin, par ICPMS2 _{pour les}

mesures de Al, Zn, Pb, Cu, As, B, Ba, Mo, Sr.

A _{Poirot N., Thoraval A., Gombert P.} Synthèse de l’état des connaissances sur les risques liés au stockage géologique du CO₂. Rapport INERIS DRS-08-95145-11842A, 2008.

B Gombert P., Farret R., Lahaie F.

Adaptation des outils d’analyse de risques aux futurs complexes de stockage géologique de CO2. Tunnels et ouvrages

souterrains, n° 213, mai-juin 2009, pp. 142-153.

C _{Bénézet P., Golubev S., Dandurand}

J.-L., Schott J. Détermination du produit

de solubilité de la sidérite (FeCO3)

et de sa cinétique de dissolution en fonction de la température et de la pression de CO₂. Séminaire « Captage et

stockage du CO2 », 12-13 décembre 2007,

Pau, pp. 18-19.

D Knauss K. G., Johnson J. W., Steefel C.

Evaluation of the impact of CO₂, co-contaminant gas, aqueous fluid and reservoir rock interactions on the geologic sequestration of CO2. Chemical Geology,

2005, vol. 217, 3-4, pp. 339-350.

E Wang F., Jaffe R. Dissolution

of a mineral phase in potable aquifers due to CO₂ releases from deep formations, effect of dissolution kinetics. Energy

conversion and management, 2004, 45, pp. 2833-2844.

F Kharaka Y. K., Cole D. R., Hovorka S. D., Gunter W. D., Knauss K. G., Freifeld B. M.

Gas-water-rock interactions in Frio Formation following CO2 injection:

Implications for the storage of greenhouse gases in sedimentary basins. Geology,

2006, 34, pp. 577-580.

GIEC. Piégeage et stockage du dioxyde

de carbone. Résumé à l’intention des décideurs et résumé technique. Rapport

spécial du GIEC, 2005, 66 p.

G _{Rillard J. Les fluides hydrothermaux} continentaux comme analogues naturels de fuite de fluides profonds riches en CO₂ : synthèse bibliographique.

Rapport INERIS DRS-10-100887-09969A, 2010.

H Rillard J., Toulhoat P., Gombert P.

Enseignements tirés de l’étude des éléments traces dans les sources carbogazeuses pour le stockage géologique du CO2. Résumés de la

23e _{Réunion des sciences de la Terre,}

Bordeaux, 25-29 octobre 2010, pp. 247-248.

I Rillard J., Gombert P., Toulhoat P., Zuddas P. Impact of CO2 injection on

groundwater chemistry and trace elements behavior: results from a field experiment. European Mineralogy

Conference, septembre 2012, Francfort (Allemagne).

J Little M. G., Jackson R. B. Potential

impacts of leakage from deep CO2

geosequestration on overlying freshwater aquifers. Environmental Science and

Technology, 2010, 44 (23) pp. 9225–9232.

Références

Notes

1.Inductively coupled plasma atomic emission spectometry. 2. Inductively coupled plasma atomic mass spectometry.

INERIS_RAPPORT SCIENTIFIQUE 2011/2012 | 59

Facteurs d’enrichissement après injection de CO₂

Éléments majeurs

Mg

× 1,5

Ca

× 1,5

Si

× 1,5

Éléments traces

métalliques

Zn

× 25

Fe

× 13

Mn

× 5

Al

× 3

As

× 2

B

× 2

Ba

× 1,5

Rb

× 1,5

Li

× 1,3

Alcalino-terreux Sr

× 1,3

Tableau 1 - Synthèse des principaux facteurs d’enrichissement mesurés lors de l’expérience d’injection du mélange eau-CO₂ en aquifère.

Résultats et discussions

L’injection d’eau saturée en CO₂ a fortement perturbé le pH de l’eau de l’aquifère, qui est passé de 7,3 à 5,7, du fait de l’acidifica-tion induite par la dissolul’acidifica-tion du CO₂. On a également observé une augmentation en Ca2+_{, Mg}2+ _{et HCO}

3

- _{dans l’eau de}

l’aqui-fère, ce qui indique que le système CO₂- _{eau-roche a bien réagi.}

Par ailleurs, une forte augmentation des concentrations en métaux a également été mesurée : la concentration en manga-nèse (Mn) a ainsi été multipliée par 5 (par rapport à la concen-tration initiale avant injection du mélange eau-CO₂), celle en fer (Fe) par 13, et celle en zinc (Zn) par 25. D’autres éléments traces tels que l’arsenic (As) ont également montré une aug-mentation significative par rapport aux conditions initiales. Les principaux résultats sont résumés dans le tableau 1 . À l’origine de ces enrichissements, on trouve les processus de dissolution des minéraux composant la roche réservoir, induits principalement par une acidification du milieu et, dans une moindre mesure, par une perturbation du redox de l’eau. Un résultat important à souligner est que les facteurs d’enri-chissements mesurés sont différents selon les éléments chimiques. Ainsi, alors que le zinc (Zn) et l’arsenic (As) étaient dans des concentrations comparables dans l’eau avant l’injec-tion, le facteur d’enrichissement du zinc est supérieur d’un ordre de grandeur à celui de l’arsenic. Ces résultats mettent en avant des phénoménologies différentes dans la phase aqueuse selon les espèces chimiques. En effet, des calculs d’équilibres thermodynamiques montrent que des éléments tels que le fer (Fe) et le zinc (Zn) sont beaucoup plus mobiles dans la phase aqueuse du fait de phénomènes de spéciation, notamment par des anions carbonatés (HCO₃-_{). Ce processus de spéciation}

peut être à l’origine de ces différences de facteurs d’enrichis-sement entre les différentes espèces métalliques mesurées.

Conclusion

Cette expérience a permis clairement d’identifier, dans les conditions choisies, un phénomène d’enrichissement de l’eau souterraine en métaux dissous suite à l’injection d’eau saturée en CO₂. L’acidification du système par l’acide carbonique est le mécanisme principal à l’origine de cet enrichissement. Par

ailleurs, il a été mis en avant que cette dissolution des métaux est accentuée par des phénomènes de spéciation en phase aqueuse par des espèces telles que les anions carbonatés (HCO₃-_{). Ce type de phénomène devra être étudié en détail}

dans la perspective des futurs sites de stockage de CO₂. En dehors de l’application spécifique au stockage géologique du CO₂, ce travail a apporté de nombreuses informations inté-ressantes sur le transfert des métaux lourds dans les eaux sou-terraines. Il peut également avoir des applications dans d’autres domaines tels que la gestion des sites et sols pollués, la géothermie, l’exploitation des terres rares, le stockage sou-terrain des déchets, etc.

s

SITES ET TERRITOIRES/RISQUES DU SOL ET DU SOUS-SOL

Carbon Capture and Storage (CCS) is considered as potential solution to mitigate accumulation of greenhouse gas into the atmosphere. However, since many years, several works highlighted the potential environmental impact of those technologies for a long term prospective. Special focus is based on the risk of remobilisation and transfer of metals species into groundwater induced by CO2

perturbation. We performed a field experiment based on single well injection of small volume (3m3₎

of water-CO2 saturated.

This experience was performed in aquifer presented a rock reservoir

naturally concentrated in different metals species (Fe, Mn, U, As, Zn, Pb, etc.). We found that CO₂ perturbation produced important quantity of carbonate, and an enrichment of several orders of magnitude in metal species concentration (Fe, Mn, Zn, As, etc.) into the groundwater. We propose that acidification due to CO2 injection

induced dissolution of minerals, as a first source of metals species. Result showed different enrichment factors, depending on measured metals species. Those differences can be explained by secondary reaction of complexation of metals by carbonate species which could have increased the release of metals species into the groundwater.

Abstract